EP4/9 |“เข้าใจ”ควอนตัมกันอย่างไร ? | ตามรอยผลงานวิทยาศาสตร์โลก
“ไม่ว่าทฤษฎีนั้นจะงดงามขนาดไหน หรือว่าสร้างขึ้นจากความชาญฉลาดสักเพียงใด หากไม่สอดคล้องกับผลการทดลอง แสดงว่าผิด”
ริชาร์ด ไฟน์แมน (Richard Feynman)
ปี ค.ศ.1986 (พ.ศ.2529) มีหนังสือเล่มหนึ่งตีพิมพ์จากการถอดบทสัมภาษณ์นักวิทยาศาสตร์ชื่อดังของโลกแปดท่าน เขาเหล่านั้นคือผู้ที่คุ้นเคยกับปรากฏการณ์เชิงควอนตัมมานาน ได้ร่วมสาธยายออกอากาศกับสำนักข่าวบีบีซี (BBC) แล้วจึงถอดเทปเป็นตัวหนังสือมาพิมพ์ให้อ่าน เป็นการถ่ายทอดเรื่องราววิทยาศาสตร์สองแนวทางต่อเนื่องนั่นคือ ทางวิทยุผ่านเป็นเสียงเข้าหูและแบบถอดความเป็นตัวหนังสือให้รับรู้ผ่านทางตา
แม้การถ่ายความคุ้นเคยกับเรื่องที่ว่ายากหนักหนาของปรมาจารย์ทั้งหลายจะได้รับการสรรเสริญว่าเป็นภาษาพูดเรียบง่ายเน้นสื่อสารถึงผู้ฟังทั่วไป ซึ่งก็แน่นอนยังมีการเปรยบ่นว่ายังคงยากที่จะมีใครสามารถทำความเข้าใจได้เหมือนตาม กระนั้น เป็นตัวอย่างทางอ้อมหนึ่งที่ดีเยี่ยมที่ควรต้องลองคุ้นเคย (หนังสือพิมพ์ครั้งแรก ค.ศ.1986 ออกอากาศมาตั้งแต่ ปี ค.ศ.1984) หากมีโอกาสอ่านแล้วควรประเมินด้วยว่า นักวิทยาศาสตร์ที่เขาเข้าใจลึกซึ้งต่อกลศาสตร์ควอนตัมมาถ่ายทอดให้ เมื่อรับรู้โดยผ่านประสาทสัมผัสทางอ้อมด้วยตากับตัวหนังสือแล้วสามารถทำความเข้าใจได้มากน้อยเพียงใด เพื่อสอบอารมณ์ความเข้าใจขอตนไปพร้อมด้วย
ตัวฉบับหนังสือบรรณาธิการตั้งชื่อให้ว่า “The Ghost in the Atom” อันมีนัยถึงปรากฎการณ์ระดับอนุภาคเดี่ยวหรืออะตอมเดี่ยวทั้งหลายว่ามีความแปลกพิลึกยิ่งนัก (ดังที่กระตุ้นไว้ในบทก่อน) จึงถูกเปรียบว่าเกิดขึ้นได้ราวกับมีวิญญาณอยู่ในอะตอมแล้วดลให้เกิดความแปลกทั้งหลายออกมากับงานการทดลองประมาณนั้น มีฉบับแปลเป็นภาษาไทยด้วยโดยถอดชื่อแปลความตรงตัวว่า “วิญญาณในอะตอม” หนังสือนี้จึงเป็นอีกช่องทางเลือกของการสร้างความคุ้นเคยทางอ้อม ด้านในมีตัวอย่างเฉพาะเจาะจงเกี่ยวโดยตรงกับเรื่องแสงโดยศาสตราจารย์อแลง แอสเปก (Alain Aspect) จากประเทศฝรั่งเศส ผู้พิสูจน์ทฤษฎีสำคัญด้วยการสร้างชุดทดลองควอนตัมแสงที่กล่าวขานกันว่ามีประโยชน์ยิ่ง (non-locality) รวมทั้งทำให้ประสาทสัมผัสของมนุษย์มีโอกาสขยับเข้าไปใกล้ความพิลึกของโลกอนุภาคได้ชิดขึ้น ทำให้ผู้ศึกษาตามเกิดความเข้าใจปรากฏการณ์ควอนตัมได้สะดวกขึ้นและได้กระตุ้นให้เกิดงานอื่นตามอย่างต่อเนื่องด้วยด้วย ควรเพ่งจ้องลองศึกษาบทสัมภาษณ์นี้กันเป็นพิเศษ
ถามนักศึกษาไทยจากต่างแดน
ตัวอย่างเพื่อเทียบเคียงต่อมาก่อนเข้าสู่ความคุ้นเคยเป้าหมาย คัดกรองผลมาจากการสอบถามนักศึกษาไทยที่มีโอกาสไปเรียนสาขาฟิสิกส์ต่างประเทศจนจบปริญญาเอกกลับมา ด้วยคำถามตรงแน่วที่ว่า
“คิดว่าคุ้นเคยจนถึงเข้าใจเรื่องราวทางด้านควอนตัมเมื่อไหร่ ช่วงเวลาไหนของชีวิต ?”
คำตอบส่วนใหญ่ที่ได้มาคล้ายกันคือ
“กว่าผมจะรู้เรื่องเข้าใจควอนตัมก็ปาเข้าไปเกือบจะจบปริญญาเอกอยู่แล้ว”
แม้การมีโอกาสคลุกคลีอยู่กับห้องปฏิบัติการระดับโลก คุ้นเคยอยู่กับเสียงการบรรยายของศาสตราจารย์เด่นดังระดับโลกที่มีความเชี่ยวชาญ แต่ผู้ที่ไปรับรู้รับทราบไปอยู่ในระดับแนวหน้าของวงการมายังรู้สึกว่าตนเองกว่าจะเข้าใจได้ก็ช่วงท้ายของการศึกษาขั้นสูงสุดถึงสี่ห้าปี (มิใช่เพียงห้านาที) ดังนั้น สำหรับคนส่วนใหญ่นอกสาขาจึงควรทำความเข้าใจแนวทางอื่นน่าจะเหมาะกว่า ขืนต้องไปนั่งเรียนแบบเดียวกันคงไกลตัวเกินไป เวลาและทรัพยากรที่มีอยู่อาจไม่เพียงพอและคงไม่มีสถาบันไหนหรือใครกล้ารับประกันผลสัมฤทธิ์ของแนวทางเดียวกันนั้นให้
อัจฉริยะผู้รู้แจ้ง
ขยับต่อมาถึงอีกกรณีที่น่าประทับใจแกมฉงน อ้าว ! แล้วบรรดานักวิทยาศาสตร์โด่งดังของโลกในอดีตเขาสร้างความเข้าใจสร้างความคุ้นเคยไปสู่ความเข้าใจได้อย่างไรโดยเฉพาะยุคแรก ยุคที่กลศาสตร์ควอนตัมเพิ่งกำเนิดขึ้นช่วงก่อนปี ค.ศ.1925 ซึ่งนำโดย แมกซ์ พลังค์ หรือบุคคลจากภาพดังแห่งศตวรรษที่นั่งอยู่ด้านหน้าซ้ายมือลำดับที่สอง ผู้ที่เริ่มต้นหรือให้กำเนิดสาขานี้มาตั้งแต่การค้นพบการแผ่รังสีของวัตถุดำ ภาพดังของวงการ (the Solvay conference) ซึ่งถ่ายไว้ในปี ค.ศ.1927 ณ กรุงบรัสเซลส์ ประเทศเบลเยียมนี้ มีนักวิทยาศาสตร์เอกของโลกร่วมเฟรมตั้งแถวรวมกันมากหน้าหลายตาทั้ง นีลส์ บอร์ (Niels Bohr) อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstien) ไฮแซนแบรกซ์ (Heisenberg) อีกทั้งนักวิทยาศาตร์รางวัลโนเบลสองครั้งควบสาขาฟิสิกส์และเคมีแถมเป็นสตรีหนึ่งเดียวที่ทำได้ “มาดามคูรี” พร้อมกับนักฟิสิกส์อีกมากมารวมตัวกัน ดูน่าตรึงตายิ่งนัก ปีนั้นประชุมกันว่าด้วยหัวข้อเรื่องอิเล็กตรอนและโฟตอน กลุ่มเกจิอาจารย์เหล่านี้กลับมารวมตัวกันต่ออีกหลายปี ตามหัวข้อร่วมสมัยที่สนใจกันในยุคร้อยปีก่อน
ภาพย้อนยุคนี้มีคำถามให้คิดเล่นแบบจริงจังต่อว่า ในอดีตร่วมศตวรรษขณะที่ยังไม่มีเครื่องมือใช้สร้างความคุ้นเคยได้ดีนักกับพื้นฐานเล็ก ๆ ระดับอนุภาคเดี่ยวที่แสดงคุณสมบัติเชิงควอนตัม เขาเหล่านั้นคุ้นเคยจนไปเข้าใจกันได้อย่างไร ? แน่นอนว่าใช้คณิตศาสตร์กับฟิสิกส์ทฤษฎีเป็นหลัก แต่หากจะยกเอาทั้งสองศาสตร์เข้มมากมาอธิบายให้ชาวบ้านทั่วไปฟังร่วมด้วยคงไม่รู้เรื่องกันแน่ ไม่ไหว หนักเกินไป การสร้างความเข้าใจได้ของกลุ่มอัจฉริยบุคคลโลกที่แท้จริงเหล่านั้นเป็นสิ่งที่เลียนแบบกันได้ยาก ส่วนผู้คนทั้งหลายที่ห่างไกลจากตัวเลขและหลักการฟิสิกส์อันลึกล้ำควรถอยหลังกลับมาหาวิธีที่น่าจะสร้างความเข้าใจได้ทางอ้อมอื่น ๆ สะสมกันไว้แทน
(ภาพจาก Nobel.Org)
การทดลองเชิงควอนตัมที่น่าจดจำของโลก
ขยับมาดูตัวอย่างการถ่ายทอดความคุ้นเคยของนักวิทยาศาสตร์ผ่านการทดลองที่คิดค้นถัดมาไม่นานนักซึ่งใกล้ชิดกับประสาทสัมผัสมนุษย์ได้มากขึ้นอีก กับกรณีที่ดีเยี่ยมของสองนักวิทยาศาสตร์รางวัลโนเบล ปี ค.ศ. 2012 เซิร์ก ฮาโรเช (Serge Haroche) จากฝรั่งเศส และ เดวิด ไวน์แลนด์ (David Wineland) ของสถาบันมาตรวิทยาสหรัฐอเมริกา บุรุษทั้งสองนี้มีความคุ้นเคยกับปรากฏการณ์และเข้าใจได้แน่แท้ งานการทดลองของเขาสามารถใช้ถ่ายทอดความเข้าใจให้กับนักวิจัยอื่นจนสามารถเลียนแบบสร้างอุปกรณ์เครื่องไม้เครื่องมือแล้วก็ไปเข้าใจปรากฏการณ์นั้นได้ตามมาอีกมากเช่นกัน เป็นการทดลองที่เรียกกันว่า สุโค่ย ปราดเปรื่อง ยอดเยี่ยมยิ่ง (ingenious experiment) ทั้งสองท่านเล่นสลับด้านกันคือ แสงกับอะตอมและอะตอมกับแสง เป็นชุดปฏิบัติการที่พิสูจน์และสังเกตปรากฏการณ์ได้สะดวกมากขึ้น ความสวยงามของงานคู่นี้ได้ถูกพัฒนาต่อเนื่องแตกแขนงความก้าวหน้าตามมาอีกมากในช่วงเวลาหลายสิบปีที่ผ่านมาเลยทีเดียว กระทั่งได้รับรางวัลโนเบลอันยิ่งใหญ่ในที่สุด
ส่งผ่านต่อ ๆ มาถึงภารกิจของศาสตราจารย์ อันตัน ไซลิงเงอร์ (Anton Zeilinger) ณ มหาวิทยาลัยเวียนนา ประเทศออสเตรีย ผู้ที่คุ้นหน้าคุ้นตากันดีเพราะในปี ค.ศ. 2017 ออกนั่งแถลงข่าวดาวเทียมควอนตัมไปทั่วโลกคู่กับศาสตราจารย์เจียน เหวย พัน (Jian Wei Pan) อดีตลูกศิษย์ชาวจีน โดยประชุมทางไกลสนทนากันระหว่างกรุงเวียนนากับปักปิ่งพร้อมทำการทดลองรหัสลับควอนตัมผ่านดาวเทียมดวงที่เพิ่งส่งขึ้นวงโคจรไปหนึ่งปีก่อนหน้า ศาสตราจารย์ผู้นี้ช่วงขณะยังทำงานอยู่ที่มหาวิทยาลัยอินส์บรุค (Innsbruck) ก่อนหน้าได้สร้างชุดการทดลองที่เรียกว่าทำให้ประสาทสัมผัสทั้งห้าของมนุษย์มีโอกาสใกล้เคียงเหลือเกินกับปรากฏการณ์เชิงควอนตัม เคยมีโอกาสให้คำแนะนำสำหรับเมืองไทยมาก่อนแล้ว บุคลิกสุขุม ใจดี และเคยมีลูกศิษย์เป็นคนไทยด้วยเหมือนกัน ปรมาจารย์ท่านนี้เล่นกับปรากฏการณ์เแนวอื่นมานานพอสมควรกระทั่งมาจับกับเรื่องของแสง แล้วก็เคยไปนั่งปรากฏอยู่บนเวทีเดียวกับท่านดาไลลามะ บุรุษหนึ่งผู้เป็นกูรูด้านธรรมะส่วนอีกหนึ่งคือนักวิทย์เอกด้านฟิสิกส์ของโลกมาร่วมสนทนากัน กลายเป็นอีกสภาวะที่น่าประทับใจแห่งยุคสมัยของสองผู้ค้นหาความหมายของธรรมชาติเดียวกันแม้จะต่างวิถี
ชุดการทดลองที่ทีมงานอินส์บรุคสร้างขึ้นมาทั้งเล็กและง่ายลงอย่างมากมายเมื่อเทียบกับชุดการทดลองมากมายในอดีต มนุษย์จึงสามารถขยับเข้าใกล้ไปสร้างความคุ้นเคยได้มากขึ้น โดยพื้นฐานมาทางงานแสงและทัศนศาสตร์เชิงควอนตัม (quantum optics) ที่พัฒนากันมายาวนานมากก่อนหน้าแล้ว ต่อมานำไปประยุกต์เพิ่มกับงานด้านไอทีควอนตัมยุคเริ่มแรกว่าด้วยเรื่องวิทยาการรหัสลับได้ด้วยอีก
ขยับความเข้าใจเข้าไปต่ออีกนิดด้วยคำถามที่ว่า หากผู้คนทั่วไปยังไม่มีโอกาสไปคุ้นเคยกับการทดลองแบบนี้ด้วยตนเองหรือไม่อยากไปเล่น แต่จะขอเพียง“เห็น” บ้างได้ไหมกับปรากฏการณ์ที่นักวิทยาศาสตร์ไปเข้าถึงมากันแล้ว ซาบซึ้งกันแล้วแบบนั้น ดังนั้น ได้โปรดถ่ายภาพออกมาให้ดูเถิด !
ได้เลย ! ... กลุ่มงานทดลองของเมืองในหุบเขาแอลป์นี้ได้สนองตอบความต้องการไว้ให้นานแล้ว โดยทำการจัดวางอุปกรณ์เครื่องไม้เครื่องมือและถ่ายภาพออกมาให้ชมโดยทั่วกัน ภาพถ่ายแรกออกมาเป็นภาพขาวดำและพัฒนาจนถ่ายภาพสีตามต่อมาได้อีก แล้วนำมาเป็นภาพหน้าปกหนังสือวิชาการแนวฟิสิกส์ของสารสนเทศเชิงควอนตัมเผยแพร่ทั่วไปด้วย (The Physics of Quantum Information)
ชุดสาธิตสร้างภาพดังว่ามีรูปร่างหน้าตาอธิบายให้ง่ายที่สุดโดยมีข้อมูลเทคนิคน้อยที่สุดเริ่มต้นกับตัวก้อนผลึกสำคัญหัวใจของการสร้างปรากฏการณ์เชิงควอนตัมที่ชื่อว่า “เบตา แบเรียม บอเรต” หรือบีบีโอ (BBO) จากนั้นอัดแสงเลเซอร์เข้าไป ผลึกนี้จะทำให้แสงขาเข้านั้นเกิดการแปลงผันค่าไป แต่ด้วยหลักการอนุรักษ์พลังงานแสงขาที่ออกมาจึงได้รับการชดเชยคืนโดยธรรมชาติให้ออกมาพร้อมกับการกำเนิดคู่โฟตอนที่พัวพันกัน (entangled photon pair) อันเป็นวิถีที่เกิดขึ้นในระดับเล็กมากละเอียดมากแต่ไม่ยากเกินกว่าที่มนุษย์จะเข้าใจได้ แล้วจึงนำหลักการนี้มาสร้างเป็นชุดการทดลองที่สวยงามยิ่งนั้นเอง
และแล้ว แสงขาออกจากผลึกจึงถูกตรวจจับด้วยเซ็นเซอร์ความเร็วสูงถ่ายทอดออกมาเป็นภาพวงกลมหลากสีดังกล่าว โดยที่จุดตัดกันของทั้งสองวงสีเขียวบนปกหนังสือนั่นไงคือปรากฏการณ์ของคู่โฟตอนที่มาพัวพันกันราวกับการเป็นคู่แฝด (ภาพแรกด้านบน) หากแยกแสงสองตำแหน่งในภาพนั้นออกจากกันไม่มีปฏิสัมพันธ์เพิ่มอีกโดยเด็ดขาดแล้ว แต่ทั้งสองจะสามารถสร้างปรากฏการณ์ฝาแฝดที่ห่างไกลได้อย่างน่าประทับใจดังที่ได้กล่าวไว้ ซึ่งชุดทดลองและการถ่ายภาพนี้จัดสร้างได้ง่ายมากสำหรับนักวิทยาศาสตร์ แต่กระนั้นก็ยังยากหนักหนาสำหรับบุคคลทั่วไป .. ใช่ไหม ?
ในเมื่อภาพถ่ายก็มีผู้คนทั่วไปได้มีโอกาสชมภาพผลลัพธ์สี่สีนี้กันถ้วนทั่วแล้ว ทั้งหมดนี้คือการนำปรากฏการณ์ควอนตัมผ่านภาพถ่ายมาเป็นสื่อส่งข่าวสารต่อให้ ...
คำถาม: “เห็น” ภาพปรากฏการณ์เชิงควอนตัมนั้นแล้ว เข้าใจไหม ?
ครั้งแรกที่ประสบคงงงงันเหมือนกันโดยทั่วไปแน่ หากมิได้มีความเข้าใจพื้นฐานฟิสิกส์และคณิตศาสตร์ของงานนี้ลึก ๆ มาก่อน เห็นเพียงภาพแสดงผลความเข้าใจคงไม่เกิดขึ้น เนื่องจากเป็นเพียงการ“เห็น”ต่อวัตถุหรือภาพที่เป็นได้แค่สื่อชนิดหนึ่งอันส่งถ่ายความเข้าใจผ่านมาเป็นทอด ๆ ลดทอนเปลี่ยนมิติจนเหลือข่าวสารเพียงบางมุมเท่านั้น ดังนั้น หากยังไม่ได้ไปคุ้นเคยรับรู้สถานะข่าวสารและช่วงเวลาที่กำเนิดขึ้นจริงทั้งหมดด้วยสัมผัสของตนเอง ภาพนี้จึงอาจช่วยได้ไม่มากนักหรือไม่ได้เลย
คำตอบ: “ไม่เข้าใจ” ... การเปรยบ่นนี้จึงยังปรากฏเป็นปกติต่อไป
สำเนาจาก “เข้าใจ”ควอนตัมกันอย่างไร ?
ภาค ๑ - ความคุ้นเคย - ISBN : 978-616-572-644-3
สงวนลิขสิทธิ์ © พ.ศ. ๒๕๖๓ - copyright
(เพื่อการศึกษาสาธารณะเท่านั้น)
“เข้าใจ”ควอนตัมกันอย่างไร ? | (EP1-9)
๐ (คอลัมน์แนะนำ) ควอนตัมกับสิ่ง “มีชีวิต”vs“ไม่มีชีวิต” | Quantum Biology ๐
ชีววิทยาเชิงควอนตัม (Quantum Biology)
หมายถึงควอนตัมของ “ส่ิงมีชีวิต” แน่แท้หรือ ?
